“突触晶体管”可以同时处理和存储数据，模仿大脑的可塑性。通过一系列突触晶体管，新的神经形态电路可以模仿联想学习。研究人员开发出一种类脑计算设备，可以通过联想进行学习。类似于著名生理学家巴甫洛夫训练狗将铃铛与食物联系起来的方式，西北大学和香港大学的研究人员成功地训练了电路将光与压力联系起来。该研究论文于4月30日发表在知名的《自然通讯》期刊上。该设备的秘密在于其新颖的有机电化学“突触晶体管”，它可以同时处理和存储信息，与人脑不同。研究人员证明，突触晶体管可以模仿人脑中突触的短期和长期可塑性，不断增强记忆力并逐渐实现学习。新晶体管和电路的类脑功能有望克服传统计算的局限性，包括耗能大的硬件和同时执行多任务的能力有限。这种类似大脑的设备还具有更高的容错能力，即使某些组件出现故障，它也能继续平稳运行。“虽然现代计算机非常出色，但人脑在一些复杂和非结构化的任务中很容易胜过它们，例如模式识别、运动控制和多感官整合，”西北大学的资深作者JonathanRivnay说。“突触是可塑的，突触是大脑计算能力的基本组成部分。这些突触使大脑能够以高度并行、容错和节能的方式运行。在我们的研究中，我们展示了一种有机塑料晶体管模仿生物突触的关键功能。”西北大学麦考密克工程学院生物医学工程助理教授Rivnay与香港大学机械工程副教授PaddyChan共同领导了这项研究。Rivnay研究组的博士后纪旭东是该论文的第一作者。传统计算的问题传统数字计算系统使用不同的处理单元和存储单元，导致数据密集型任务消耗大量能源。受人脑中计算和存储过程组合的启发，近年来，研究人员借助一系列功能类似于神经元网络的设备，寻求开发功能更像人脑的计算机。“我们当前的计算机系统的工作方式是存储和逻辑在物理上是分开的，”Ji说。它。如果我们可以将这两个独立的功能结合起来，就可以节省空间和能源成本。“目前，忆阻器或“忆阻器”是最先进的技术，可以执行组合处理和存储功能，但忆阻器的两大缺点是开关能耗高和生物相容性差。这些缺点导致研究人员将注意力转向突触晶体管，尤其是有机电化学突触晶体管，它可以在低电压下工作，具有连续可调谐的记忆，并且对生物应用具有高度兼容性。然而，挑战仍然存在。“即使是高性能的有机电化学突触晶体管也需要分离Rivnay说：“从读取操作中写入操作，”Rivnay说。因此，如果你想保留内存，就必须将其与写入过程断开，这进一步使集成到电路或系统中变得复杂。突触晶体管的工作原理为了克服这些挑战，a西北大学和香港大学的研究团队优化了一种导电塑料材料一侧是可以捕获离子的有机电化学晶体管。突触是大脑中的一种结构，神经元信号可以使用称为神经递质的小分子通过突触传递到另一个神经元。在突触晶体管中，离子的行为类似于神经递质，在终端之间发送信号以形成人工突触。通过保留捕获离子的存储数据，晶体管可以记住以前的活动，从而实现长期可塑性。研究人员通过将单个突触晶体管连接到神经形态电路来模拟联想学习，从而展示了他们设备的突触行为。他们将压力和光传感器集成到电路中，并训练电路将两个不相关的物理输入（压力和光）相互关联起来。联想学习最著名的例子可能是巴甫洛夫的狗，当狗被训练将铃声与食物联系起来时，狗看到食物时，狗在听到铃声时也会开始分泌唾液。对于神经形态电路，研究人员通过按压手指施加压力来激活电压。为了训练电路，将光与压力联系起来，研究人员应用了来自LED灯泡的光脉冲，然后立即施加压力。在这种情况下，压力是食物，光线是铃铛。设备的相应传感器检测到这两个输入。经过一段训练期后，该电路在光和压力之间建立了初步联系。经过五个训练周期后，电路在光和压力之间建立了很强的关联。光本身能够触发信号，或“无条件反应”。未来的应用是由于突触电路由塑料等柔性聚合物制成，它很容易在柔性片材上制作，并且很容易集成到柔性可穿戴电子产品、智能机器人和可直接连接到活组织或可植入设备中。甚至大脑。“虽然我们的应用只是一个概念证明，但我们提出的电路可以进一步扩展以包括更多的传感输入，并与其他电子设备集成，以在该领域进行低功耗计算，”Rivnay说。兼容，因此设备可以直接与活体组织连接，这对下一代生物电子学至关重要。”这项名为的研究得到了美国国家科学基金会、香港研究资助局基金和国家自然科学基金的共同资助。
